Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/95015
Title: Safe Collaborative Robotic Manipulators
Authors: Safeea, Mohammad 
Orientador: Neto, Pedro Mariano Simões
Béarée, Richard
Keywords: Collision avoidance; safety; potential fields; Newton method; Hessian; collaborative robots; hand-guiding; redundancy; robot kinematics; robot dynamics; recursive algorithms; Mass matrix; Christoffel symbols; Prevenção de colisões; segurança; campos potenciais; método de Newton; Hessian; robôs colaborativos; guiamento manual; redundância; cinemática; dinâmica; algoritmos recursivos; matriz de massa; símbolos de Christoffel
Issue Date: 11-Sep-2020
Project: SFRH/BD/131091/2017 
Abstract: Collaborative robotic manipulators are new type of industrial manipulators, that allow the coexistence of humans in the same working area around the robot. Consequently, a human can work safely beside a collaborative manipulator, without having physical barriers or safety fences separating between them. In light of this, we can see that the main features of collaborative robots are centred around two main aspects, safety and collaboration, which are the main topics of this thesis. On the subject of safe interaction with the robot, we revisit the problem of realtime collision avoidance for robotic manipulators in unstructured and dynamic environments, where humans are working side-by-side with the robot. We propose a method for endowing the manipulator with sensing capabilities, so it can detect the proximity of humans around it. Also, we propose a control algorithm, based on the potential fields method, for providing the robot with human like reflexes, which allows it to avoid collision with people nearby. Afterwards, we propose a method for implementing the collision avoidance controller to modify on-line generated paths (necessary for performing industrial tasks). For testing, we implement the proposed method in a real industrial robotic cell, utilising an industry standard collaborative manipulator (KUKA iiwa) in human centred environment, where a human worker (coworker) and the robot are sharing the same working area. On the subject of collaboration we study the topic of precise positioning of the end-effector of the robot in an intuitive manner. We present the precision hand-guiding technique, and we present a lightweight algorithm for performing motion in the null space of redundant manipulators while preserving the accuracy of end-effector's pose. Afterwards, we exploit the redundancy for performing secondary tasks, where using the torque feedback at the joints of sensitive robots and the force/torque measurements from an external Force/Torque (FT) sensor at the flange of the robot we were able to perform precise hand-guiding at the end-effector level while exploiting redundancy to perform in-contact obstacle navigation. For developing the aforementioned applications, and for achieving real-time performance, we implemented various light weight numerical methods. Consequently, several efficient algorithms for performing the calculations and the control have been realized in software packages, most of which are provided as open source libraries in public repositories. Throughout this work, the proposed algorithms were implemented in various programming languages, while the real-time virtual-reality simulations were carried out using the program V-REP (Virtual Robot Experimentation Platform). Using these tools several controllers, algorithms, techniques and simulations were applied and the results achieved were discussed throughout this document. Experimental tests were carried out using industrial-grade hardware, the collaborative manipulator KUKA iiwa7R800, laser scanner, IMUs, force torque sensor and magnetic trackers.
Os manipuladores robóticos colaborativos são um novo tipo de manipulador industrial que permite a coexistência de seres humanos na área de trabalho em redor do robô. Consequentemente, um humano pode trabalhar com segurança ao lado de um manipulador colaborativo, partilhando o mesmo espaço e sem barreiras físicas entre eles. As principais características dos robôs colaborativos centram-se em dois aspetos principais, segurança e colaboração, sendo estes os tópicos principais desta tese. Relativamente à interação segura com manipuladores robóticos colaborativos, revisitamos o problema da prevenção de colisões em tempo real em ambientes não estruturados e dinâmicos, onde humanos e robôs trabalham lado a lado. É proposto um método para dotar o manipulador de recursos de deteção de humanos/obstáculos em seu redor. Além disso, é proposto um algoritmo de controlo baseado no método de campos potenciais que permite ao robô colaborativo evitar colisões com humanos/obstáculos. Posteriormente, propomos um método para o controlador de prevenção de colisões de forma a alterar as trajetórias nominais do robô definidas off-line (necessário para executar tarefas industriais). As metodologias propostas foram implementadas e testadas numa célula robótica real, utilizando um manipulador colaborativo industrial (KUKA iiwa) em tarefas onde robô e humano partilham a mesma área de trabalho. O tópico da colaboração homem-robô foi estudado considerando o posicionamento preciso do robô de forma intuitiva. É proposto um método de guiamento manual de precisão, assente num algoritmo que permite o movimento do robô no espaço nulo de manipuladores redundantes enquanto preserva a precisão posicional. A redundância é também explorada recorrendo ao uso de medições de torque a partir das articulações do robô e medições de força/torque de um sensor externo de Força/Torque (FT) acoplado à flange do robô. Desta forma conseguimos realizar o guiamento manual do robô ao nível do end-effector enquanto tiramos vantagem da redundância na navegação de obstáculos por contato. As metodologias acima mencionadas foram implementadas em robôs reais, recorrendo a algoritmos que pela sua natureza de aplicação devem ser computacionalmente leves e eficientes, permitindo assim desempenho em tempo real por parte do sistema robótico. Neste contexto, vários algoritmos relacionados com a implementação dos métodos, cálculos matemáticos e controlo foram desenvolvidos e agrupados em pacotes de software, a maioria dos quais são fornecidos como bibliotecas de código aberto em repositórios públicos. Os algoritmos propostos foram implementados em várias linguagens de programação, enquanto as que simulações em tempo real foram realizadas usando o programa V-REP (Virtual Robot Experimentation Platform). Usando essas ferramentas vários controladores e algoritmos foram aplicados, sendo os seus resultados discutidos neste documento. Testes experimentais foram realizados usando hardware de nível industrial, nomeadamente o manipulador colaborativo KUKA iiwa7R800, scanner laser, unidades de medição inerciais (IMUs), sensores de força/torque e rastreadores magnéticos.
Description: Tese no âmbito do Doutoramento em Engenharia Mecânica, Gestão e Robótica Industrial, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/95015
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Mecânica - Teses de Doutoramento
UC - Teses de Doutoramento

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